基于PLC和组态王的全自动洗衣机控制系统设计

河南理工大学毕业设计（论文）说明书摘 要随着科技日新月异，人民生活水平不断提高，消费者对家庭电器自动化的需求不断加大，其中全自动洗衣机占很重要的位置。总体看来，高效节能、节水以及环保的全自动洗衣机一直在市场上占主导地位。传统的洗衣机采用继电器控制，而大多数继电器的优点是装置结构简单、价格便宜、抗干扰能力强，但其容易损坏，产生噪音，耗能大。PLC的优点是：可靠性高，耗电少，适应性强，运行速度快，寿命长，为了进一步提高全自动洗衣机的功能和性能，避免传统控制的一些弊端，就提出了用PLC来控制全自动洗衣机这个课题。本设计采用西门子公司的S7-200系列的PLC作为核心控制部件，利用其特点，对按钮、电磁阀、开关等其他一些输入/输出点进行控制，实现了洗衣机洗衣过程的自动化。本文对全自动洗衣机的控制系统进行了分析，进行了流程图和梯形图的设计，并进行仿真测试。为了能更直观的显示出整个自动控制过程，本设计运用组态王软件建立了一个全自动洗衣机的监控系统画面。关键词：PLC； 全自动洗衣机； 组态王 Abstract Along with the development of the science and technology, peoples standard of living rises ceaselessly, and the demand of household appliances increases, in which full automatic washing machine occupies a very important position.Overall, full automatic washing machine with high efficiency and energy saving, water conservation and environmental protection in the market has been held the dominant position.The traditional washing machine use relay control, most of the relays have the advantages of simple structure, price cheap device and strong anti-interference ability, but they are easy to be damaged, produce noise, and consume huge amount of energy. The characteristics of PLC are high reliability, less consumption, strong adaptability, fast operation and long life. This design used the Siemens S7-200 PLC as the key control components. According to its characteristics, it controlled the button, solenoid valve, switch, or some other input/output point,while realizing the automation of washing machine. In this paper, the automatic washing machine control system was analyzed, the flow chart and ladder diagram were designed. In order to show the automatic control process more intuitively, the design used King view to establish a picture of the full automatic washing machine control system. Key words: PLC; full automatic washing machine; King view目录1 绪论11.1选题背景11.2洗衣机的发展概况和现状11.3毕业设计的研究内容及意义22 系统总体分析42.1全自动洗衣机的工作原理42.2 全自动洗衣机的设备控制要求53硬件设计63.1硬件电路设计63.2可编程控制器73.3 继电器103.4 PLC的选型113.4.1 I/O储存器容量的估算113.4.2 CPU的选型123.5 PLC的外围接线图设计123.6 系统资源分配133.6.1 输入地址分配133.6.2 输出地址分配143.6.3 内部元件地址分配154 软件设计164.1 编程软件164.2 程序流程图设计174.3 PLC控制顺序功能图设计194.4 梯形图编写204.5 梯形图重点程序段落分析225 系统仿真285.1 S7-200 V4.0的仿真软件285.2 仿真测试295.3仿真结果分析306 组态界面的设计326.1 组态王326.2 监控系统功能要求356.3 新建一个工程356.4 监控界面设计366.5 运行和调试397 总结与展望427.1 总结427.2 展望43致谢44参考文献45附录一 SIMATIC S7-200 CPU主要性能指标46附录二 画面命令语言47附录三 系统指令语句表49521 绪论1.1选题背景洗衣机是人们日常生活中常见的一种家电，已经成为人们生活中不可缺少的家用电器。在工业生产中的应用也十分广泛，本课题在于工业用洗衣机的研究，工业洗衣机适用于洗涤棉、毛、化纤、丝绸等衣物织品。水磨洗涤机可用于服装厂水洗牛仔服及丝绸等衣物。工业用洗衣机适用于宾馆、饭店、医院、学校、工厂等领域，满足大容量的洗衣要求。传统的基于继电器的控制，已经不能满足人们对洗衣机的自动化程度的要求了。洗衣机需要更好地满足人们的需求，必须借助于自动化技术的发展。而随着PLC技术的发展，用PLC作为控制器，就能很好地满足全自动洗衣机对自动化的要求，并且控制方式灵活多样，控制模式可以根据不同场合的应用而有所不同。自动化技术的飞速发展使得洗衣机由初始的半自动式洗衣机发展到现在的全自动洗衣机，又正在向智能化洗衣机方向发展。 1.2洗衣机的发展概况和现状从古到今，洗衣服都是一项难于逃避的家务劳动，在洗衣机出现以前，这项劳动并不像田园诗描绘的那样充满乐趣、手搓、脚踩、棒击、冲刷、摔打。这些不断重复的简单的体力劳动，留给人的感受常常是辛苦劳累。世界上第一台洗衣机于1858年诞生，但这台洗衣机使用费力，且损伤衣服，因而没被广泛使用，但这却标志了用机器洗衣的开端。1874年,“手洗时代”受到了前所未有的挑战，美国人发明了木制手摇洗衣机。1880年，美国发明了蒸气洗衣机，蒸气动力开始取代人力。蒸汽洗衣机之后，水力洗衣机、内燃机洗衣机也相继出现。1910年，美国试制成功世界上第一台电动洗衣机，电动洗衣机的问世，标志着人类家务劳动自动化的开端。1922年，美国改造了洗衣机的洗涤结构，把拖动式改为搅拌式，使洗衣机的结构固定下来，这也就是第一台搅拌式洗衣机的诞生。1932年，美国研制成功第一台前装式滚筒洗衣机。1955年，在引进英国喷流式洗衣机的基础之上，日本研制出独具风格、并流行至今的波轮式洗衣机。70年代后期，微电脑控制的全自动洗衣机出现引领新的发展方向，让人耳目一新。90年代，由于电动机调速技术的提高，洗衣机实现了较宽范围的转速变换与调节，诞生了许多新水流洗衣机。全自动洗衣机的特点是能自动完成洗涤，漂洗和脱水的转换，整个过程不需要人工操作。这类洗衣机均采用套筒式结构，其进水，排水都采用电磁阀，由程序控制器按人们预先设计好的程序不断发出指令，驱动各执行器件动作，整个洗衣过程自动完成，所用的程序控制器可分为电动机驱动式和单片机式。从控制方式的发展阶段上分，全自动洗衣机可分为两大类：第一类：电动控制洗衣机，它的程序控制器由电动元件组成。第二类：电脑控制洗衣机，它的程序控制器由微型计算机组成。电动控制全自动洗衣机是较早出现的自动控制类家用电器，其产品类型还属于传统的机械产品，是自动控制的初级阶段。随着计算机及微电子技术的发展，自动控制系统正在逐步实现硬件化。因此，电动控制洗衣机将逐步退出家电舞台。全自动洗衣机从结构上分有波轮式、搅拌式、滚筒式。目前,国内市场上销售的大都是波轮式和滚筒式，供应最多的是波轮式洗衣机。波轮式洗衣机的特点是洗净率高,但对衣服的磨损很大,随着人们生活水平不断地提高，丝绸,毛料,羊毛等大量走进普通家庭,厂商又适时地推出了滚筒洗衣机,它最大的优点是磨损率小,但洗净率比波轮式低,价格高。洗衣机产品可以分三类：普通型、半自动型和全自动型。普通型和半自动型洗衣机，都需要人为参与操作，才能完成洗衣、甩干、排水全过程；而全自动洗衣机在整个洗涤、甩干、排水过程中，无需人为操作和监控。国内外洗衣机品牌有海尔、小天鹅、荣事达、松下、惠而浦水仙、LG熊猫、西门子、日立好用。1.3毕业设计的研究内容及意义本设计是基于PLC的全自动洗衣机控制系统设计，采用西门子公司的S7-200系列的PLC作为核心控制部件，利用其特点，对按钮、电磁阀、开关等其他一些输入/输出点进行控制，实现洗衣机洗衣过程的自动化。首先需要对全自动洗衣机的控制系统进行分析，进行流程图和梯形图的设计，并进行仿真测试。为了能更直观的显示出整个自动控制过程，本设计运用组态王软件建立一个全自动洗衣机的监控系统画面。本文的课题源于市场上的洗衣机产品。传统的洗衣机采用继电器控制，而大多数继电器的优点是装置结构简单、价格便宜、抗干扰能力强，但其容易损坏，产生噪音，耗能大。也有采用单片机控制的洗衣机，单片机系统的特点是结构简单，处理速度快，但其对环境的适应能力较低，可靠性差，采用汇编语言或者是C语言，这些高级语言和PLC语言相比难以学习，而且功能单一，只具有使用中所需要的功能，硬件较为复杂。PLC系统的优点是：可靠性高，耗电少，适应性强，运行速度快。为了进一步提高全自动洗衣机的功能和性能，为了避免传统控制和单片机控制的一些弊端，就提出了用PLC来控制全自动洗衣机这个课题。 PLC具有以下优点：（1）可靠性高，抗干扰能力强。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。（2）配套齐全，功能完善，适用性强。PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。（3）编程简单。PLC的优越性主要体现在它采用了独特的，多种面向广大工程设计人员的编程语言如指令表，梯形图，逻辑功能图，顺序功能图等，程序简洁、明了，适合各类技术人员的传统习惯，即使是没有计算机知识的人员也很容易掌握，特别是梯形图与逻辑功能图，形象直观，动态监测效果逼真，且与计算机控制容易连接，深受工程技术人员欢迎。（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。（5）体积小，重量轻，能耗低。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。全自动洗衣机采用PLC控制系统将大大提高工作效率，和适应工作环境的能力。它是整体模块，集中了驱动电路、检测电路、保护电路以及通讯联网功能。因此在运用中硬件也相对简单，大大提高了控制系统的可靠性。另外它的编程语言也相对简单。其次，它能实现脱机手动工作，联机自动就地工作，上机控制的单周期运行方式，自动启动、自动停机控制方式。2 系统总体分析2.1全自动洗衣机的工作原理全自动洗衣机的工作原理：全自动洗衣机的洗衣桶（外桶）和脱水桶（内桶）是以同一中心安放的，内桶可以旋转，作为脱水用。内桶的周围有许多小孔，使内桶和外桶的水流相通，洗衣机的进水和排水分别由进水电磁阀和排水电磁阀来执行。进水时通过控制系统将进水阀打开，经进水管将水注入到外桶。排水时，通过控制系统将排水电磁阀打开，将水由外桶排到机外。洗涤正传反转由洗涤电动机驱动拨盘的正反转来实现，此时脱水桶并不旋转。脱水时，控制系统将离合器合上，由洗涤电动机带动内桶正传进行甩干。高、中、低水位控制开关分别用来检测高、中、低水位。启动按钮用来启动洗衣机工作，停止按钮用来实现手动停止进水、洗衣、排水、脱水及报警。全自动洗衣机的进水，洗衣，排水，脱水是通过水位开关，电磁进水阀和电磁排水阀配合进行控制，从而实现自动控制的。水位开关用来控制进水到洗衣机内高中低水位，电磁进水阀起着通断水源的作用。全自动洗衣机的示意图如2-1所示。 M 进水阀 进水 高水位传感器 中水位传感器 低水位传感器 水排空传感器 出水 洗衣电机出水阀 图2-1 全自动洗衣机示意图2.2 全自动洗衣机的设备控制要求全自动洗衣机控制系统的要求是能实现“正常运行”和“强制停止” 两种控制方式。正常运行方式的具体控制要求如下：（1） 将水位能够通过水位开关设在合适的位置（高、中、低），按下“启动”按钮，开始进水，到达设定的水位（高、中、低）后，停止进水。（2） 进水停止2秒后开始洗衣。（3） 洗衣时，正转20秒，停2秒，然后反转20秒，停2秒。（4） 如此循环共5次，总共220秒后开始排水，排空后脱水30秒。（5） 然后再进水，重复以上过程，如此循环共3次。（6） 洗衣过程完成，报警3秒并自动停机。“强制停止”方式的具体控制要求如下：（1） 若按下“停止”按钮，洗衣过程停止，即洗涤电机和脱水桶停止转动、进水电磁阀和排水电磁阀全部闭合。（2） 可用手动排水开关和手动脱水开关进行手动排水和脱水。根据全自动洗衣机的工作原理,洗衣机的工作流程由进水、洗衣、排水和脱水四个过程组成。在半自动洗衣机中，这四个过程分别用相应的按扭开关来控制。利用可编程控制器PLC实现控制,用于说明PLC控制的原理方法、特点及工作特色。此次全自动洗衣机控制系统设计需要利用西门子S7-200系列PLC的特点,对按鈕、电磁阀、开关等其他一些输入/输出点进行控制,实现洗衣机洗衣过程的自动化。3硬件设计3.1硬件电路设计硬件设计的整体思路就是通过PLC输出的数字信号控制继电器组，达到控制电路的目的。控制电路的组成主要包括：可编程控制器、继电器组和连接电路（变频器）。其中，继电器为主要执行模块，PLC所发出的数字指令控制继电器线圈，而继电器的开合直接控制电源电路，实现对电动机的控制。另外，变频器在电路中控制洗涤时的电机转速，不作为必要装置。在此控制系统中，PLC是控制核心，外部多种输入信号如启动按钮、高中低水位检测等信号采样进来，经过PLC内部进行逻辑运算或数据处理后，提供多种输出信号来控制进水阀、出水阀动作，和控制电机驱动装置进而控制正反转和脱水运行。PLC用定时器记录正反转时间，脱水时间和报警时间，用计数器记录正反转次数和脱水次数，可以很容易地通过更改PLC定时器和计数器的参数，来满足不同的洗涤条件和要求。根据以上要求，基于PLC的全自动洗衣机控制系统框图如图3-1所示。图3-1 全自动洗衣机控制系统框图PLC在系统中处于中心位置，启动、停止信号和水位开关是PLC的输入信号，进水阀，排水阀，电动机和脱水桶是洗衣机各种动作的执行机构。其中进水阀和排水阀由PLC给定信号来决定其工作状态，电动机的工作状态也由控制中心PLC给定信号来决定，而电动机的正反转状态直接决定洗衣机的洗涤状态和脱水状态。系统的硬件电路图如图3-2所示。图3-2 硬件电路图3.2可编程控制器 可编程控制器的基本概念国际电工委员会对PLC作了如下定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 可编程控制器的基本结构可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本与微型计算机相同，PLC主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、电源部分、通信端口、编程器和特殊功能单元组成。典型的PLC控制系统的硬件组成框图如图3-3所示。1 中央处理器（CPU）中央处理器(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。它通过系统总线与用户存储器、输入/输出(I/O)、通信端口等单元相连。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以图3-3 PLC控制系统的硬件组成框图扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。2 存储器 根据存储器存储内容的不同，存储器可以分为系统程序存储器、用户存储器和数据存储器。3 输入/输出（I/O）单元输入/输出（I/O）单元是PLC与外部设备连接的纽带。输入单元接受现场设备箱PLC提供的开关量信号，经过处理后，变成CPU能够识别的信号。输出单元将CPU的信号经处理后来控制外部设备。4 电源部分PLC一般使用AC220V电源或DC24V电源。内部使用的电源是整体的供给中心，大部分PLC采用开关式稳压电源供电。5 通信端口PLC的CPU模块上至少有一个通信端口。通过这个通信端口，PLC可以直接和编程器或上位机相连。6 编程器编程器用来生成用户程序，并用它进行编辑、检查、修改和监控用户程序的执行情况。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序。一般用于小型机或用于现场调试和维护。使用编程软件可以在计算机上直接生成梯形图或指令表程序，并且可以实现不同编程语言之间的相互转换。程序被编译后通过PC/PPI电缆可以下载到PLC中去，也可以将PLC当中的程序上传到计算机当中来。7 特殊功能单元PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务，如定时、计数等。（3）可编程控制器的基本特点可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点：1 编程方法简单易学、功能强大、性价比高、硬件配套齐全，系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；2 也能进行连续过程的PID回路控制；3 并能与上位机构成复杂的控制系统用户使用方便、适应性强、可靠性强、抗干扰能力强；4 系统的设计、安装、调试工作量少、维护工作量小、维护方便、体积小、能耗低等特点。（4）PLC的工作原理PLC的工作原理可以简单的表述为在系统程序的管理下，通过运行应用程序，对控制要求进行处理判断，并通过执行用户程序来实现控制任务。但是，在时间上，PLC执行的任务是按串行方式进行的，其具体的运行方式与继电器-接触器控制系统及计算机控制系统都有着一定的差异与不同。 PLC的基本工作原理：PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式。1 每次扫描过程，集中采集输入信号，集中对输出信号进行刷新；2 输入刷新过程，当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入；3 一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新；4 元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的；5 扫描周期的长短由三条决定：CPU执行指令的速度；指令本身占有的时间；指令条数，现在的PLC扫描速度都是非常快的；6 由于采用集中采样，集中输出的方式，存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。（5）S7-200系列PLC西门子公司的SIMATIC S7-200系列属于小型PLC，可以用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。由于它有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用。S7-200的可靠性非常高，可以用语句表、梯形图和功能块图编程。它的指令丰富，简单易学，内置有高速计数器、高速脉冲输出和PID控制器等特殊功能，最大可以扩展到248点数字量I/O或35路模拟量I/O，最多有30多KB的程序和数据存储空间。S7-200提供了近10种通讯方式以满足不同的应用需求，从RS-485通信/编程接口通讯到自由口模式通讯，从PPI协议通讯到MPI协议通讯，从简单的S7-200之间的通讯到S7-200通过Profibus-DP网络通讯，甚至到S7-200通过以太网通讯。在网络需求已日益成为必要的今天，强大的通讯无疑会使S7-200为更多用户服务。本设计采用PLC S7-200为控制核心，实现自动控制和手动控制，硬件接线简单，软件开发周期短，具有工作可靠性高，操作方便，体积小、功耗低等特点，达到良好的经济效果。3.3 继电器（1） 继电器简介继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。（2） 继电器组的应用及实现的功能在本次设计中，对继电器的使用较为突出，原理是利用可编程序控制器的24V直流信号来控制继电器线圈，实现由可控制的按预定程序导通/关断的380V三相电源给电动机供电。本次使用的继电器模块由三组三联装共九个继电器组成，每组继电器完成一个功能。可分为：正转控制组，反转控制组及脱水控制组。控制线圈与PLC的输出口相连，电动机高压电源通过变频器以后与继电器“常开引脚”相连，公共端接地。它们的开合直接由可编程序控制器输出的离散信号控制。即当洗衣机处在洗涤过程要求正转时，正转控制组闭和，反转及脱水控制组断开，三相电源按照原始顺序接入，电源由变频器控制频率后给电动机供电，此时电动机正转且速度为预定数值；当洗衣机处在洗涤过程要求反转时，反转控制组闭和，正转及脱水控制组断开，此时，三相电源中的两相已被继电器互换相接，由于三相异步电动机改变任意两相电磁力矩相反，电源再由变频器控制频率后给电动机供电，此时电动机反转且速度为预定数值；当洗衣机处在脱水过程要求高速正转时，脱水控制组闭和，正转及反转控制组断开，此时，三相电源按预定顺序接入，电源直接接入电动机，电动机按额定转速正转。3.4 PLC的选型3.4.1 I/O储存器容量的估算PLC常用的内存有EPROM、EEPROM和带锂电池供电的RAM。一般微型和小型PLC的存储容量是固定的，介于12KB之间。用户应用程序占用多少内存与许多因素有关，如I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等。因此在程序设计之前只能粗略地估算。PLC内存容量为开关量I/O点数、模拟量I/O点数和程序编写的质量所增加的内存容量综合。根据经验，每个I/O点及有关功能元件占用的内存量大致如下：开关量输入元件：1020B/点开关量输出元件：510B/点定时器/计数器：2B/个模拟量：100150B/个通信接口：一个接口一般需要300B以上根据上面算出的总字节数再考虑增加25%左右的备用量，就可估算出用户程序所需的内存容量，从而选择合适的PLC内存。该系统有11个数字输入点6个数字输出点，需内存280B，有定时器7个，计数器2个，需内存18B，考虑余量后需要内存370B。3.4.2 CPU的选型PLC的功能日益强大，一般PLC都具有开关量逻辑运算、定时、计数、数据处理等基本功能，有些PLC还可扩展各种特殊功能模块，如通信模块、位置控制模块等.选型时可考虑以下几点：功能与任务相适应，PLC的处理速度应满足实时控制的要求、PLC结构合理、机型统一、在线编程和离线编程的选择。全自动洗衣机控制所要求的控制功能简单，小型PLC就能满足要求了。该控制系统CPU模块可采用CPU-224（AC/DC/继电器）模块，它可控制整个系统按照控制要求有条不紊地进行。同时由于该模块采用交流220V供电，并且自带14个数字量输入点和10个数字量输出点，完全能满足全自动洗衣机控制系统的要求，所以不再需要另外的电源模块、数字量和输出模块。综上所述此次设计选用西门子S7-200系列整体式PLC，CPU模块为CPU-224（AC/DC/继电器）模块。PLC的框架配置图如3-4所示。图3-4 PLC框架配置图3.5 PLC的外围接线图设计根据全自动洗衣机的控制要求，对系统控制的I/O点数进行了统计和PLC型号进行了选择，现根据以上的统计和选择对控制系统PLC的外部接线进行设计。PLC的外围接线图如图3-5所示。在图3-5中，PLC的各个I/O地址分别与全自动洗衣机控制系统所有的输入信号和输出信号连接起来，注意电源和接地的连接。图3-5 PLC外部接线图3.6 系统资源分配3.6.1 输入地址分配根据不同的PLC配置情况确定I/O地址是PLC编程的前提与基础，程序中的地址必须与实际物理连接点一一对应，才能确保动作的正确执行。这个控制系统的输入有启动按钮、停止按钮、高水位选择开关、中水位选择开关、低水位选择开关、手动排水开关、自动排水开关、高水位传感器、中水位传感器、低水位传感器、水排空传感器共11个输入点。现在根据全自动洗衣机的实际工作状态对PLC控制系统的输入地址进行分配。具体的输入地址分配如表3-1所示。表3-1输入地址分配表输入地址对应的外部设备I0.0启动按扭I0.1停止按扭I0.2水位选择开关（高水位）I0.3水位选择开关（中水位）I0.4水位选择开关（低水位）I0.5手动排水开关I0.6手动脱水开关I0.7高水位传感器I1.0中水位传感器I1.1低水位传感器I1.2水排空传感器3.6.2 输出地址分配这个控制系统需要控制的外部设备有进水电磁阀、排水电磁阀、洗涤电动机、脱水桶、报警器共5个设备。但是由于洗涤电动机有正转和反转两个状态，分别为正转继电器和反转继电器，所以输出点应该有6个。具体的输出分配如表3-2所示。表3-2 输出地址分配表输出地址对应的外部设备Q0.0进水电磁阀Q0.1排水电磁阀Q0.2洗涤电动机正转继电器Q0.3洗涤电动机反转继电器Q0.4脱水桶Q0.5报警器3.6.3 内部元件地址分配全自动洗衣机的工作过程中，需要用到PLC内部的计时器和计数器对其进行过程控制，现对控制中要用到的内部元件地址进行分配。内部地址分配表归纳如表3-3所示。表3-3 内部地址分配表定时器/计时器对应的功能T37进水暂停计时T38 正洗计时T39正洗暂停计时T40反转计时T41反转暂停计时T42脱水计时T43报警计时C50正反洗循环计数C51大循环计数4 软件设计4.1 编程软件编程软件采用西门子公司设计的编程软件STEP-Micro/Win32。STEP7-Micro/WIN32是西门子公司专为SIMATIC S7-200系列可编程序控制器研制开发的编程软件，它是基于Windows的应用软件，功能强大，既可用于开发用户程序，又可实时监控用户程序的执行状态。STEP7-Micro/WIN32编程软件的基本功能是协助用户完成应用软件的开发，其主要实现以下功能：（1）在脱机（离线）方式下创建用户程序，修改和编辑原有的用户程序。在脱机方式时，计算机与PLC断开连接，此时能完成大部分的基本功能，如编程、编译、调试和系统组态等，但所有的程序和参数都只能存放在计算机的磁盘上。（2）在联机（在线）方式下可以对与计算机建立通信关系的PLC直接进行各种操作，如上载、下载用户程序和组态数据等。（3）在编辑程序的过程中进行语法检查，可以避免一些语法错误和数据类型方面的错误。经语法检查后，梯形图中错误处的下方自动加红色波浪线，语句表的错误行前自动画上红色叉，且在错误处加上红色波浪线。（4）对用户程序进行文档管理，加密处理等。（5）设置PLC的工作方式、参数和运行监控等。软件主界面一般可分为以下6个区域：菜单栏（包含8个主菜单项）、工具栏（快捷按钮）、浏览栏（快捷操作窗口）、指令树(快捷操作窗口)、输出窗口和用户窗口（可同时或分别打开图中的5个用户窗口）。除菜单栏外，用户可根据需要决定其他窗口的取舍和样式的设置。4.2 程序流程图设计 PLC采用计算机控制技术，其程序设计同样可遵循软件工程设计方法，程序工作过程可用流程 图表示。由于PLC的程序执行为循环扫描工作方式，因而与计算机程序框图不同点是，PLC程序框图在进行输出刷新后，再重新开始输进扫描，循环执行。全自动洗衣机工作方式有自动方式和手动方式两种。在自动方式下，PLC将运行已经设置好的程序和参数（适用于机械一切都正常的情况下），按照用户设定好的程序来进行工作。手动方式是在紧急停止情况下，可以手动进行排水和脱水。全自动洗衣机正常运行流程图如图4-1所示。图4-1 正常运行流程图强制停止流程图如图4-2所示。图4-2 强制停止流程图4.3 PLC控制顺序功能图设计顺序功能图，它是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形，顺序功能图并不涉及所描述的控制功能的具体技术，它是一种通用的技术语言。顺序功能流程图语言是为了满足顺序逻辑控制而设计的编程语言。编程时将顺序流程动作的过程分成步和转换条件，根据转移条件对控制系统的功能流程顺序进行分 配，一步一步的按照顺序动作。每一步代表一个控制功能任务，用方框表示。在方框内含有用于完成相应控制功能任务的梯形图逻辑。这种编程语言使程序结构清晰，易于阅读及维护，大大减轻编程的工作量，缩短编程和调试时间。这种顺序功能图适合用于系统的规模校大，程序关系较复杂的场合。全自动洗衣机控制系统PLC控制状态流程图如图4-3所示。 图4-3 PLC控制顺序功能图4.4 梯形图编写打开STEP-Micro/Win32编程软件，软件主界面如图4-4所示。（1） 在进行控制程序编程之前，首先需要创建一个项目。具体操作步骤为：执行菜单【文件】【新建】选项或单击工具栏的新建按钮，生图4-4 STEP-Micro/Win32主界面成一个新的项目。项目以扩展名为project.mwp的文件格式保存。（2）设置与读取PLC的型号在对PLC编程之前，应正确地设置其型号，以防止创建程序时发生编辑错误。设置与读取PLC的型号的方法是：执行菜单【PLC】【类型】选项，在出现的对话框中，选择PLC型号和CPU版本。也可以双击指令树的【项目1】，然后双击PLC型号和CPU版本选项，在弹出的对话框中进行设置。在本设计中选用了CPU224的PLC，需要在对话框中选择正确的CPU版本。CPU选型对话框如图4-5所示。（3）程序的结构及编写S7-200系列PLC支持的指令集有SIMATIC和IEC1131-3两种。SIMATIC编程模式的选择，可以通过执行菜单【工具】【选项】【常规】【SIMATIC】选项来确定。编程软件可实现3种编程语言之间的任意切换，执行菜单【查看】【梯形图】或【STL】或【FBD】选项便可进入相应的编程环境。 图4-5 设置PLC的型号简单的数字量控制程序一般只有主程序，系统较大、功能复杂的程序除了主程序外，可能还有子程序、中断程序。编程时可以点击编辑窗口下方的选项来实现切换以完成不同程序结构的程序编辑。用户程序结构选择编辑窗口如图4-6所示。 图4-6用户程序结构选择编辑窗口主程序在每个扫描周期内均被顺序执行一次。子程序的指令放在独立的程序块中，仅在被程序调用时才执行。中断程序的指令也放在独立的程序块中，用来处理预先规定的中断事件，在中断事件发生时操作系统调用中断程序。在指令树中选择需要的编程元件,在指令工具条中选择输入连接线，完成梯形图的编写。（4）编译程序编辑完成后,用“PLC”菜单中的“编译”命令进行离线编译。编译结束，在输出窗口显示编译结果信息，显示无错误。4.5 梯形图重点程序段落分析辅助继电器梯形图如图4-7,4-8所示。图4-7 辅助继电器梯形图（一）图4-8 辅助继电器梯形图（二）如图4-7和图4-8所示程序段落，M0.0是按下按钮的辅助继电器，M0.1是判断洗衣机水位是否和设定水位不一致的辅助继电器，M0.2是判断洗衣机水位是否和设定水位一致的辅助继电器，M0.3是停止自动洗衣的辅助继电器。按下启动按钮，M0.0输出。当水位与设定水位不一致时，M0.1输出；反之，M0.2输出。 图4-9 进水梯形图如图4-9所示程序段落，按下启动按钮或者脱水完毕（T40定时时间到），而且洗衣大循环未到3次时，开始进水。当水位到设定水位后停止进水，等待2秒进入洗衣过程。在强制停止情况下，当停止按钮按下时立即停止进水。洗衣前根据衣物多少选择好水位，按下水位选择开关(I0.2、I0.3、I0.4)任意一个，再按下启动按钮，I0.0接通，Q0.0接通，开始进水。当水位上升到与选择的水位相一致时，相一致的水位传感器(I0.7、I1.0、I1.1)传出信号，Q0.0断开停止进水，T37开始计时。图4-10 洗衣梯形图（一）图4-11 洗衣梯形图（二）图4-12 洗衣梯形图（三）如图4-10，4-11，4-12所示程序段落，T37计时时间到，Q0.2接通开始正转洗衣，T38计时开始。T38计时30秒，Q0.2断开，正洗暂停，T39开始计时。T39计时时间到，Q0.3接通，反洗，T40开始计时。T40计时时间到，Q0.3断开，反洗暂停，T43开始计时。T43计时时间到，C50计数一次，同时洗衣返回Q0.2接通，重复以上从正洗开始的全部动作，直到C50计满5次数时，Q0.1接通并自保，开始排水，C50复位，准备下次循环时再计数。排水梯形图如图4-13所示。洗衣过程完毕，正反转大循环达到5次后，即C50计满5次时，进入排水过程。当水排空后停止排水。 图4-13 排水梯形图图4-14 脱水梯形图如图4-14所示程序段落是脱水梯形图，水排空后，水排空辅助继电器M0.4接通并自保持，洗衣机开始进行脱水，脱水30秒即T40计时30秒后停止脱水。因为判断水排空是否在排水完毕后，所以要用到排水完毕辅助继电器。图4-15 报警梯形图如图4-15所示程序段落，排水过程进行3次，即洗衣大循环3次后，开始报警过程，3秒后停止报警，这样整个洗衣过程结束。5 系统仿真5.1 S7-200 V4.0的仿真软件该仿真软件可以仿真大量的S7-200指令（支持常用的位触点指令、定时器指令、计数器指令、比较指令、逻辑运算指令和大部分的数学运算指令等，但部分指令如顺序控制指令、循环指令、高速计数器指令和通讯指令等尚无法支持。仿真程序提供了数字信号输入开关、两个模拟电位器和LED输出显示，仿真程序同时还支持对TD-200文本显示器的仿真，在实验条件尚不具备的情况下，完全可以作为学习S7-200的一个辅助工具。另外，仿真软件还有读取CPU和扩展模块的信息、设置PLC实时时钟、控制循环扫描次数等功能。软件的主界面如图5-1所示。 图5-1 S7-200仿真软件主界面图中灰色部分为是CPU 224类型的PLC面板可显示CPU运行状态和I/O点的状态，灯亮为1，灯灭为0。CPU224的右边空白方框是扩展模块的位置，双击空白方框即可进行模块配置选择，根据需要可选择各种数字量和模拟量的扩展模块。CPU模块的下方是用于输入数字量信号的小开关面板，具有和CPU224对应的14个输入点，单击面板中的开关按钮可使其0，1状态切换，在CPU面板上的模拟LED灯对应灭，亮。开关面板下方的SMB28,SMB29是两个直线电位器，分别是CPU224的两个8位模拟量输入电位器对应的特殊存储器字节，可左右拖动滑块来设置它的值，范围在0-255之间。5.2 仿真测试（1）CPU选型执行图中菜单命令“configuration”“CPU Type”，在CPU型号对话框中选择自己对应的CPU型号，CPU224。如图5-2所示。图5-2 CPU选型框（2）程序的下载仿真软件不能直接接收S7-200程序代码，在STEP7-Micro/WIN中将程序编译并导出成ASCII文本文件（扩展名为awl），文件名为：全自动洗衣机.awl。然后在S7-200仿真软件中使用工具栏的下载按钮即可将导出的文件下载到仿真软件当中进行仿真测试。加载成功后，在仿真软件中的AWL和KOP观察窗口中就可以分别观察到加载的语句表程序和梯形图程序。下载框如图5-3所示。（3）仿真测试在仿真软件中点击工具栏上的按钮，启动运行，使仿真PLC切换到RUN模式开始仿真测试。仿真结果图如图5-4所示。图5-3 文件下载框图5-4 仿真结果图5.3仿真结果分析由图5-4 仿真结果图可以得知：单击面板中的开关按钮0、2使其状态切换到到1，CPU面板上的模拟LED灯1对应亮，再单击面板上的开关按钮7（高水位传感器）使其状态切换到1，CPU面板上的模拟LED灯1灭，模拟LED灯2对应亮。在实际操作中相当于按下启动按钮、高水位选择开关后，进水阀打开，开始进水。进水完成后，高水位传感器传出数据，进水电磁阀关闭，洗涤电动机开始正转，洗衣过程开始。在该仿真过程中，按钮需要手动复位，否则无输出或输出混乱。各水位传感器需要手动使其置位，洗衣机不能完全按照自动方式进行工作。6 组态界面的设计6.1 组态王组态王是一款功能强大的工业生产监控软件。它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态王的主要功能：（1） 丰富的人机界面功能，可视化操作界面，真彩显示图形、丰富的图库；（2） 强大的通讯能力；（3） 先进的报警和事件管理；（4） 强大的网络和冗余功能。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能，拥有丰富的动画制作功能，其动画链接功能更是使工程技术人员运用组态王制作画面如虎添翼。工程人员在组态王开发系统中制作的画面都是静态的，如果要反映工业现场的状况，可以通过实时数据库，因为只有数据库中的变量才是与现场状况同步变化的。数据库变量的变化可以改变画面的动画效果，通过“动画连接”建立画面的图素与数据库变量的对应关系。动画连接的引入是设计人机接口的一次突破，它把工程人员从重复的图形编程中解放出来，为工程人员提供了标准的工业控制图形界面，并且由可编程的命令语言连接来增强图形界面的功能。图形对象与变量之间有丰富的连接类型，给工程人员设计图形界面提供了极大的方便。“组态王”系统还为部分动画连接的图形对象设置了访问权限，这对于保障系统的安全具有重要的意义。通过这些功能的良好运用，可以制作出动画效果内容丰富，监控全面的监控系统。组态王中命令语言是一种在语法上类似语言的程序，工程人员可以利用这些程序来增强应用程序的灵活性、处理一些算法和操作等。命令语言都是靠事件触发执行的，如定时、数据的变化、键盘键的按下、鼠标的点击等。根据事件和功能的不同，包括应用程序命令语言、热键命令语言、事件命令语言、数据改变命令语言、自定义函数命令语言、动画连接命令语言和画面命令语言等。它具有完备的词法语法查错功能和丰富的运算符、数学函数、字符串函数、控件函数、SQL函数和系统函数。各种命令语言通过“命令语言编辑器”编辑输入，在“组态王”运行系统中被编译执行。组态王软件的工程管理器界面如图6-1所示。工程浏览器界面如6-2所示。图6-1 工程管理器界面一般情况下启动组态王系统后，在信息窗口中可以显示的信息有：“组态王”系统的启动、关闭、运行模式；历史记录的启动、关闭；I/O设备的启动、关闭；网络连接的状态；与设备连接的状态；命令语言中函数未执行成功的出错信息。信息窗口如6-3所示。图6-2 工程浏览器界面图6-3 信息窗口6.2 监控系统功能要求用组态王设计的全自动洗衣机控制系统监控画面需要实现洗衣机自动洗衣的功能，直观、形象地显示全自动洗衣机洗衣时的工作画面。全自动洗衣机的控制系统有两种方式：正常运行和强制停止。设计的画面要实现这两种情况下洗衣机的工作状态。建立一个新的组态王工程的一般过程是：(1) 设计图形界面（定义画面）；(2) 定义设备；(3) 构造数据库（定义变量）(4) 建立动画连接；(5) 运行和调试。6.3 新建一个工程启动“组态王”工程管理器，选择菜单“文件新建工程”或单击“新建”按钮。按照新建工程向导一步步的建立一个新的工程路径，并按自己要求设定工程文件目录。并将把新建工程设定为组态王当前工程。本设计新建的工程名为：全自动洗衣机。如图6-4所示。图6-4 新建一个工